[论文解读] Enhancement of the $ extbf{W}$ boson mass in the Georgi-Machacek model

Poulami Mondal|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文研究了Georgi-Machacek（GM）模型是否能够解释CDF-II实验报告的、超出标准模型（SM）预测的W玻色子质量中30 MeV的增强现象。通过打破规范双生三重态与五重态标量质量的简并性，该模型生成了非零的斜率S参数，使W玻色子质量最多增加32 MeV——当排除μ子横向质量异常点时，该结果在1σ范围内与CDF测量值一致。

ABSTRACT

The recent CDF-II measurement of the mass of the $W$ boson shows a significant tension with the Standard Model (SM) expectation, even when averaged with earlier measurements. The tension can be explained in the framework of any beyond-SM dynamics that contributes substantially to the oblique $S$ and $T$ parameters. As a typical example of such beyond-SM physics, we try to explain the tension in the framework of the Georgi-Machacek model that keeps $ρ=1$ at the tree-level, and explore the parameter space that can accommodate the $W$ mass shift. We find that a sizeable split between the custodial triplet and 5-plet of scalars can help alleviate the tension to a large extent, and raise the $W$-mass by about 30 MeV over its SM value.

研究动机与目标

• 解决CDF-II对W玻色子质量的测量与标准模型预测之间长期存在的6σ张力。
• 探索已知在树图级别保持规范对称性的Georgi-Machacek模型，是否能产生足够的W玻色子质量偏移，以与CDF-II数据一致。
• 研究规范双生三重态与五重态标量质量简并性破坏在生成非零斜率S参数及增强M_W中的作用。
• 评估在现有直接与间接实验约束下（包括味物理可观测量与H^{++}衰变限制）GM模型的可行性。

提出的方法

• 研究采用包含实SU(2)_L三重态（ξ）与复SU(2)_L三重态（χ）的Georgi-Machacek模型，确保在树图级别保持规范对称性。
• 通过斜率S参数计算W玻色子质量的改变量，利用S-T-U参数化方法，假设由于新物理较重，U ≈ 0。
• 在Higgs玻色子质量（125 GeV）、混合角（sinϑ = 0.31）与规范单态Higgs质量（150 GeV）的约束下分析该模型。
• 通过改变真空期望值v_χ以及规范双生三重态与五重态标量质量差（m_3 - m_5）扫描参数空间。
• 施加来自味物理可观测量（如b→sγ、B_s→μ⁺μ⁻）与H^{++}→W⁺W⁺衰变未观测到的限制，以约束v_χ。
• 在m_5 = 500、600与800 GeV的基准值下，数值计算S参数与ΔM_W，并在参数空间中可视化结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 Georgi-Machacek模型是否能在不破坏规范对称性的前提下，产生足够大的W玻色子质量增强，以解释CDF-II异常？
• RQ2 规范双生三重态与五重态标量质量之间的分裂如何影响斜率S参数及由此产生的W玻色子质量偏移？
• RQ3 味物理与H^{++}衰变对GM模型在此情境下的可行参数空间施加了何种限制？
• RQ4 GM模型在多大程度上能够缓解CDF-II对W玻色子质量的测量与标准模型预测之间的张力？

主要发现

• 在简化GM模型中，若规范双生三重态与五重态标量质量简并（m_3 = m_5），W玻色子质量最大增强仅约20 MeV，不足以解释CDF-II异常。
• 打破规范双生三重态与五重态标量质量的简并性，可导致更大的S参数，从而引发更大的ΔM_W。
• 当m_5 = 500 GeV且m_3 - m_5在约束下取最大值时，可实现高达32 MeV的W玻色子质量增强。
• 该32 MeV的增强使预测的M_W在排除μ子横向质量数据点后，与CDF-II测量值在1σ范围内一致。
• 只要v_χ在m_5 = 800 GeV时保持低于30 GeV，该模型在当前味物理可观测量与H^{++}→W⁺W⁺衰变未观测到的限制下仍具可行性。
• S参数随质量分裂增大而增加，且在不同m_5值下行为一致，表明其对m_3 - m_5具有稳健依赖性。